扁稈荊三棱球莖萌發(fā)條件分析

許同心, 李 濤, 王浩東, 錢(qián)燦燦, 馬江鋒, 楊德松

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院 /新疆綠洲農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害治理與植保資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】扁稈荊三棱(Bolboschoenusplaniculmis)隸屬莎草科三棱草屬一年生雜草，在我國(guó)大部分地區(qū)均有分布[1,2]，其繁殖方式多樣，主要以球莖或根莖繁殖為主(無(wú)性繁殖)，球莖不僅能長(zhǎng)成植株，還可生出2～5條根莖，待根莖伸長(zhǎng)到一定程度，開(kāi)始向上彎曲膨大并逐漸形成球莖，之后伸出土表長(zhǎng)成新植株，一顆球莖繁殖植株可達(dá)5 336株[3,4]，次以種子繁殖(有性繁殖)，大多生長(zhǎng)在水田、湖泊、濕地等潮濕環(huán)境[5,6]。扁稈荊三棱既是濕地恢復(fù)的重要植物[7]，也是危害稻田雜草之一[8]，近些年成為新疆棉田惡性雜草之一，對(duì)棉花苗期生長(zhǎng)影響嚴(yán)[9,10]。【前人研究進(jìn)展】種子或球莖萌發(fā)是雜草生活史的開(kāi)始，也是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，種子或球莖能否正常萌發(fā)受到諸多外界環(huán)境的直接或間接影響，例如溫度、光照、pH、鹽分濃度、土壤含水量和埋土深度等[11]，通過(guò)對(duì)外界環(huán)境因子對(duì)種子或球莖萌影響的研究，系統(tǒng)了解種子或球莖球莖萌發(fā)特性，可以合理減施除草劑，為農(nóng)田雜草制定更為科學(xué)的綜合防除體系。楊蕊等[12]2018年研究發(fā)現(xiàn)，堿蓬(Suaedasalsa)種子萌發(fā)率隨著埋土深度的增加反而降低，在埋土深度為3 cm時(shí)，抑制種子萌發(fā);播娘蒿(Descurainiasophia)種子對(duì)照光非常敏感，光照條件下明顯抑制其種子萌發(fā)，黑暗條件下適宜其萌發(fā)[13]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】在農(nóng)業(yè)實(shí)踐生產(chǎn)中利用農(nóng)業(yè)防除措施，深翻土地，將種子埋入深層或翻出土表見(jiàn)光晾曬，可減少農(nóng)田堿蓬和播娘蒿的發(fā)生基數(shù)，目前對(duì)其防除還是以化學(xué)藥劑防除為主[9,14]，防除效果一般，而其他防除方法尚未研究。需系統(tǒng)研究扁稈荊三棱萌發(fā)特性，分析棉田扁稈荊三棱的生物學(xué)特性，進(jìn)一步指導(dǎo)扁稈荊三棱的科學(xué)防除和新型除草劑的研制?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】采用培養(yǎng)皿法和盆缽法分析扁稈荊三棱球莖萌發(fā)和出苗的最適環(huán)境條件，記錄球莖萌發(fā)和出苗數(shù)量，計(jì)算球莖萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)、平均萌發(fā)時(shí)間和啟動(dòng)萌發(fā)時(shí)間，研究扁稈荊三棱球莖休眠特性，為棉田扁稈荊三棱的綜合防除提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 供試球莖及土壤

扁稈荊三棱球莖于2020年6月采集于新疆石河子市三分場(chǎng)二連的一塊棉田；土壤來(lái)源于石河子城郊處一塊無(wú)使用除草劑且無(wú)發(fā)生過(guò)扁稈荊三棱農(nóng)田，pH值為8.19，速效鉀含量362.46 mg/kg，速效磷含量41.83 mg/kg，全氮含量為0.87 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量為38.76 g/kg，將土壤與有機(jī)質(zhì)土壤按2:1的比例充分混勻備用。

1.1.2 試劑及儀器

氫氧化鈉、氯化鈉、分析純、2-(N-嗎啡啉)乙磺酸(MES)、4-(2-羥乙基)-1-哌嗪乙磺酸(Hepes)、N-三(羥甲基)甲基甘氨酸(Tricine)

1.2 方 法

1.2.1 儲(chǔ)存方式對(duì)扁稈荊三棱球莖休眠解除的影響

對(duì)新采收的扁稈荊三棱球莖洗凈曬干，分別用5種方式儲(chǔ)存：(1)4℃冰箱干燥儲(chǔ)存；(2)溫室干燥儲(chǔ)存；(3)利用0.5 %次氯酸鈉消毒后置于水中浸泡儲(chǔ)存；(4)放入5～10 cm土層中保存；(5)-20℃冰箱儲(chǔ)存。每隔10 d從各個(gè)處理中取出部分球莖進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn)，共3次。采用培養(yǎng)皿法測(cè)定萌發(fā)率，將扁稈荊三棱球莖放置在鋪有定性濾紙鋪直徑為12 cm的培養(yǎng)皿中，每皿均勻放置15顆球莖，放入25～30℃、光周期為L(zhǎng)∶D =12∶12、光照強(qiáng)度為8 000 lx的培養(yǎng)箱中，每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)進(jìn)行2次，每次試驗(yàn)觀察15 d，計(jì)算球莖的萌發(fā)率。扁稈荊三棱球莖萌發(fā)率以胚根或胚芽鞘伸出表面2 mm視為萌發(fā)，萌發(fā)率在60%以上，球莖解除休眠。

1.2.2 扁稈荊三棱球莖吸水率測(cè)定

取10顆扁稈荊三棱球莖稱(chēng)重記為m1，而后放入燒杯中，加蒸餾水200 mL，置于30℃培養(yǎng)箱，第2、4、12、24、48、72、96 h分別取出球莖，用吸水紙將球莖表面水分吸干后稱(chēng)重記為m2，記錄各個(gè)時(shí)間段稱(chēng)量數(shù)據(jù)，計(jì)算球莖吸水率，重復(fù)3次，最終計(jì)算平均值。

1.2.3 扁稈荊三棱球莖萌發(fā)條件

1.2.3.1 溫度對(duì)扁稈荊三棱萌發(fā)影響

對(duì)已解除休眠的球莖用5 %次氯酸鈉消毒30 s后，用蒸餾水清洗3次，均勻撒入鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中15顆球莖，放入培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)箱溫度分別設(shè)置為10、15、20、25、30和35℃。每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)2次，每次試驗(yàn)連續(xù)觀察15 d，計(jì)算扁稈荊三棱球莖萌發(fā)率、初始萌發(fā)時(shí)間、平均萌發(fā)時(shí)間、萌發(fā)指數(shù)。

1.2.3.2 光照對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)影響

每個(gè)溫度加入一組用不透光的黑布包裹的黑暗處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)共進(jìn)行兩次，連續(xù)記錄15 d，每天記錄扁稈荊三棱球莖萌發(fā)情況。

1.2.3.3 pH對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)影響

將解除休眠的扁稈荊三棱球莖放置于pH為5、6、7、8、9的緩沖液中。按照Chauhan[15]方法，制備pH為5和6的緩沖液用2 mmol/L的2-(N-嗎啡啉)乙磺酸和1 mmol/L的氫氧化鈉配制；pH為7和8的緩沖液用2 mmol/L的4-(2-羥乙基)-1-哌嗪乙磺酸(Hepes)和1 mmol/L的氫氧化鈉配制；pH為9的緩沖液用2 mmol/L的N-三(羥甲基)甲基甘氨酸和1 mmol/L氫氧化鈉配制，以純水(pH為7.2)為對(duì)照，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，置于培養(yǎng)箱中萌發(fā)，連續(xù)觀察15 d球莖萌發(fā)情況并記錄。

1.2.3.4 鹽分脅迫對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)影響

利用氯化鈉配制鹽分為25、50、75、100、125、150 mmol/L鹽溶液，將已解除休眠的球莖放入不同濃度的鹽溶液中進(jìn)行培養(yǎng)，每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)15顆球莖，觀察15d球莖萌發(fā)數(shù)。

1.2.3.5 土壤濕度對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)影響

取備好土壤，風(fēng)干后放入110℃烘箱中，1 h烘干至恒重除去土壤中水分，并殺死土壤中原有的雜草種子，稱(chēng)取烘干土壤200 g于塑料盆缽中，加水配制成含水量0 %、10 %、20 %、30 %、40 %、50 %、60 %的5種土壤處理，每個(gè)盆缽中播種扁稈荊三棱球莖15個(gè)，用保鮮膜封住盆口，防治水分蒸發(fā)，每個(gè)處理重復(fù)3次，20 d后記錄萌發(fā)球莖數(shù)，計(jì)算萌發(fā)率。

1.2.3.6 土壤深度對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)影響

1.2.4 計(jì)算

萌發(fā)率(%)=萌發(fā)球莖數(shù)/供試球莖數(shù)×100%。

(1)

(2)

萌發(fā)指數(shù)：供試球莖發(fā)芽整齊程度的指標(biāo)；n表示萌發(fā)持續(xù)時(shí)間(d)。

(3)

式中Ni表示第i天球莖萌發(fā)數(shù)，Di表示相應(yīng)的萌發(fā)時(shí)間(d)。

球莖吸水率=(m2-m1)/m1.

(4)

式中m1為球莖初始質(zhì)量，m2為球莖吸水2、4、12、24、48、72、96 h后球莖質(zhì)量。

2002年7月，我國(guó)實(shí)施了《轉(zhuǎn)基因食品衛(wèi)生管理辦法》，該法律法規(guī)規(guī)定了轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品安全監(jiān)管的一系列制度。對(duì)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品安全監(jiān)管的一系列制度進(jìn)行了詳細(xì)、明確的規(guī)定。但隨著2007年《新資源食品管理辦法》的施行，這部對(duì)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品安全監(jiān)管具有重要意義的部門(mén)規(guī)章被廢止。使得我國(guó)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品標(biāo)識(shí)立法。轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品標(biāo)識(shí)管理過(guò)程中只能適用其他相關(guān)、相近的法律法規(guī)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Spss20.0軟件和Excel 2019軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，利用Duncan法分析顯著性。利用Sigma Plot 12.5數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)曲線(xiàn)擬合。

鹽分脅迫對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)率的影響擬合公式[16]為：

G=Gmax/(1+(x/x50)Grate)x100%.

(5)

其中，G為鹽濃度為x時(shí)扁稈荊三棱球莖的萌發(fā)率；Gmax為最大萌發(fā)率；x50為抑制中濃度；Grate為方程斜率。

2 結(jié)果與分析

2.1 儲(chǔ)存方式對(duì)扁稈荊三棱球莖休眠解除影響

研究表明，室溫水儲(chǔ)條件對(duì)扁稈荊三棱球莖休眠解除效果最好，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)，其萌發(fā)率逐漸增高，在室溫水儲(chǔ)30 d，萌發(fā)率高達(dá)88.89%，與其他儲(chǔ)存條件呈顯著差異；土壤層積與室溫干儲(chǔ)兩個(gè)儲(chǔ)存條件對(duì)扁稈荊三棱球莖休眠解除效果一般，儲(chǔ)存30 d后萌發(fā)率分別為62.22 %和51.11 %；-20℃干儲(chǔ)條件對(duì)扁稈荊三棱球莖休眠解除效果最差，儲(chǔ)存前10 d內(nèi)萌發(fā)率為4.44 %，隨后儲(chǔ)存20 d、30 d，扁稈荊三棱球莖均未能萌發(fā)。圖1

圖1 不同儲(chǔ)存方式下扁稈荊三棱球莖休眠解除變化

2.2 扁稈荊三棱球莖吸水率的測(cè)定

研究表明，扁稈荊三棱球莖對(duì)吸水量呈現(xiàn)出一個(gè)逐漸上升趨勢(shì)，第1 d吸水速度較快，達(dá)到了球莖干重的35.56%，其中在0～2 h吸水速度最快，隨后球莖吸水速度有所放緩，浸種72 h，吸水率達(dá)到63.23%，球莖開(kāi)始露芽，球莖吸水基本進(jìn)入停滯期，球莖吸水量達(dá)到球莖重量的2/3時(shí)，扁稈荊三棱胚根從球莖表面伸出，達(dá)到萌發(fā)所需水量。圖2

圖2 扁稈荊三棱球莖吸水率變化

2.3 扁稈荊三棱球莖萌發(fā)條件

2.3.1 溫度和光照對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)影響

研究表明，在光照條件下，溫度在25和30℃時(shí)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)率在70%以上，顯著高于其他溫度，其中30℃萌發(fā)率最高為82.22 %，而在35℃時(shí)，球莖萌發(fā)率明顯下降，在25～30℃是扁稈荊三棱球莖萌發(fā)的適宜溫度，其中30℃為最適萌發(fā)溫度，之后隨溫度的升高抑制球莖的萌發(fā)。在10℃時(shí)扁稈荊三棱球莖不能萌發(fā)，15℃時(shí)僅有極少部分球莖萌發(fā)，扁稈荊三棱球莖萌發(fā)初始溫度為15℃；黑暗處理與光照處理球莖萌發(fā)趨勢(shì)相同，有無(wú)光照對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)無(wú)影響。圖3

圖3 不同溫度和光照下扁稈荊三棱球莖萌發(fā)變化

2.3.2 pH對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)的影響

研究表明，pH在5～9內(nèi)扁稈荊三棱球莖均能萌發(fā)，萌發(fā)率在70 %～90 %，其中pH為8時(shí)，萌發(fā)最高為88.89 %，pH為5時(shí)萌發(fā)率最低為71.11 %，與對(duì)照呈現(xiàn)顯著性差異，扁稈荊三棱球莖萌發(fā)不受pH的限制，球莖更適合在堿性或中性條件下萌發(fā)。圖4

圖4 不同pH對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)變化

2.3.3 鹽分對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)的影響

研究表明，NaCl濃度在0～25 mmol/L，對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)無(wú)影響，萌發(fā)率均高于80%，之后隨著NaCl濃度的升高，扁稈荊三棱球莖萌發(fā)率逐漸降低，鹽分脅迫與扁稈荊三棱球莖萌發(fā)率擬合方程為G=82.09/(1+(x/102.34)3.49) 100%(R2=0.98)，當(dāng)萌發(fā)率為50%時(shí)，NaCl濃度為90.1 mmol/L，當(dāng)NaCl濃度為150 mmol/L時(shí)，球莖萌發(fā)為13.33%，即使在高鹽濃度下扁稈荊三棱球莖也能萌發(fā)，其耐鹽程度較高。圖5,表1

表1 不同處理下扁稈荊三棱球莖萌發(fā)變化

圖5 不同鹽分脅迫對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)變化

2.3.4 土壤濕度對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)影響

研究表明，土壤含水量在0～60 %，扁稈荊三棱球莖出苗率隨土壤含水量的增加而逐漸升高，土壤濕度在10 %～20 %，扁稈荊三棱出苗率在24.44 %～42.22 %；當(dāng)土壤含水量超過(guò)50 %時(shí)，扁稈荊三棱球莖出苗率達(dá)到最高，均在70 %以上，各處理之間并無(wú)顯著性差異，扁稈荊三棱是一種喜濕植物，易在潮濕的環(huán)境中萌發(fā)生長(zhǎng)，但在干旱條件下仍能出苗，具有較強(qiáng)的耐旱性。圖6

圖6 不同土壤含水量下扁稈荊三棱球莖出苗變化

2.3.5 埋土深度對(duì)扁稈荊三棱球莖萌發(fā)的影響

研究表明，埋土深度在5 cm～25 cm范圍內(nèi)，出苗率呈現(xiàn)出現(xiàn)上升后下降的趨勢(shì)，擬合方程為y= 0.034 1x3- 1.952 4x2+ 29.83x- 53.778(R2= 0.998 5)埋土深度在5 cm～10 cm時(shí)，扁稈荊三棱球莖出苗率呈上升趨勢(shì)，在10 cm時(shí)出苗率達(dá)到最大，為82.22%，隨后在10～25 cm出苗率迅速下降，在25 cm時(shí)，出苗率最小為4.44%，說(shuō)明埋土深度在5～15 cm之間為扁稈荊三棱球莖更易出苗，而埋土深度超過(guò)15 cm，抑制其出苗，超過(guò)25 cm時(shí)幾乎不出苗。圖7

圖7 不同埋土深度下扁稈荊三棱球莖萌發(fā)變化

3 討 論

3.1扁稈荊三棱的防除方式關(guān)鍵是阻斷其繁殖，相對(duì)于種子繁殖，球莖繁殖控制難度更大。新疆土壤鹽堿化程度較高[17]。大多數(shù)種子具有休眠特性，是種子和球莖對(duì)外界惡劣環(huán)境條件適應(yīng)的一種生理反應(yīng)，也是物種長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程的結(jié)果[18-20]。從球莖吸水特性研究中，其在72 h吸水率達(dá)到63.23%，且開(kāi)始萌發(fā)，扁稈荊三棱球莖沒(méi)有明顯的物理休眠，在自然狀態(tài)下可以吸水萌發(fā)。但雜草種子及球莖休眠特性的存在，不利于農(nóng)田雜草科學(xué)防除，了解扁稈荊三棱球莖解除休眠具對(duì)其防除具有生產(chǎn)實(shí)踐意義。高溫相比較低溫更容易解除種子休眠[21,22]，早熟禾、藜、狗尾草等雜草種子在高溫下才能解除休眠[23-25]。

3.2適宜的溫度、充足的水分是種子和球莖萌發(fā)過(guò)程必不可少的環(huán)境條件，扁稈荊三棱是喜濕喜溫的植物。從球莖吸水特性研究中，其在72 h吸水率達(dá)到63.23 %，且開(kāi)始萌發(fā)，扁稈荊三棱球莖沒(méi)有明顯的物理休眠，在自然狀態(tài)下可以吸水萌發(fā)。在15℃是其球莖萌發(fā)的初始溫度，25～30℃為最適萌發(fā)溫度，之后隨著溫度的升高，其球莖萌發(fā)受到抑制，與藨草屬的另一種植物海三棱藨草(Scirpusmariqueter)球莖萌發(fā)有著相同的趨勢(shì)[26]，但扁稈荊三棱比棉田其他雜草馬齒莧(Portulacaoleracea)、田旋花(ConvolvulusarvensisL.)等適應(yīng)溫度范圍更窄[27,28]，夏季溫度過(guò)高會(huì)抑制其球莖萌發(fā)，這會(huì)減少扁稈荊三棱對(duì)農(nóng)作物的危害。扁稈荊三棱球莖萌發(fā)不受光照影響，光照與黑暗條件下均能萌發(fā)，且在不同溫度下萌發(fā)率相近，這與棉田雜草蒼耳(Xanthiumstrumarium)的萌發(fā)有相似的特性[29]。大多數(shù)雜草種子萌發(fā)對(duì)酸堿度條件在pH為4～10，適應(yīng)性較為廣泛[30,31]，扁稈荊三棱球莖具有相同的特性，本試驗(yàn)中其球莖在pH為5～9均能萌發(fā)，因此在新疆鹽堿化程度較高的地方仍可正常，表明酸堿度不能成為扁稈荊三棱球莖萌發(fā)和繁殖的控制條件之一；而高鹽分條件下可抑制扁稈荊三棱球莖萌發(fā)，隨著NaCl濃度增大，球莖萌發(fā)率逐漸降低，當(dāng)鹽分150 mmol/L時(shí)，球莖萌發(fā)率低至13.33 %，較高鹽分可以抑制球莖吸水從而抑制其萌發(fā)，與田旋花、馬齒莧、蒼耳種子在鹽分脅迫條件下萌發(fā)具有相同趨勢(shì)；扁稈荊三棱球莖在土壤含水量為60 %萌發(fā)率最高，而在土壤含水率為0時(shí)不萌發(fā)，扁稈荊三棱是喜濕植物，這與他常發(fā)生在水田、河岸、濕地特點(diǎn)相吻合，而新疆屬于干旱少雨地區(qū)，但由于新疆早期種植水稻，加之棉田膜下滴灌為其提供了高溫濕潤(rùn)的環(huán)境，為其萌發(fā)創(chuàng)造了較好的條件，成為新疆棉田常見(jiàn)雜草之一[9,32]；扁稈荊三棱球莖在土層25 cm仍能發(fā)芽，間接證明其球莖萌發(fā)不受光照限制，由于扁稈荊三棱是喜濕植物，土壤表面受太陽(yáng)直射含水率低，致使球莖萌發(fā)個(gè)數(shù)較少。扁稈荊三棱球莖在土層10～15 cm時(shí)為最適萌發(fā)土壤深度，萌發(fā)率最高，高于15 cm或低于10 cm都會(huì)降低球莖萌發(fā)率，扁稈荊三棱發(fā)生量與其球莖在土壤中的垂直分布量有著密切關(guān)系，將土層中分布在5 cm～15 cm的球莖深翻至土層30 cm以下讓其休眠或者翻至土表層晾干使球莖失去水分無(wú)法萌發(fā)。

4 結(jié) 論

扁稈荊三棱已經(jīng)在新疆大部分棉田發(fā)生，對(duì)棉花苗期生長(zhǎng)和后期產(chǎn)量造成了嚴(yán)重影響，但未有棉田專(zhuān)用除草劑防除扁稈荊三棱，使其防除難度加重。扁稈荊三棱球莖萌發(fā)不受pH的限制；NaCl濃度在0～25 mmol/L時(shí)，萌發(fā)率在80%以上，隨著濃度的增大，扁稈荊三棱球莖萌發(fā)逐漸降低，在NaCl濃度為150 mmol/L時(shí)，球莖萌發(fā)率僅為11.11%，在高鹽濃度下，扁稈荊三棱球莖仍能萌發(fā)；隨著土壤濕度的增加，其發(fā)芽率隨之增大；埋土深度10 cm時(shí)發(fā)芽率最大，為82.22%，扁稈荊三棱一般處于土層10 cm。扁稈荊三棱喜溫濕且耐受性強(qiáng)，屬于棉田惡性雜草。